Im Jahr 1798 führte der Wissenschaftler Henry Cavendish in einem dunklen, abgedichteten Raum Experimente mit Kugeln durch und berechnete die ungefähre Dichte der Erde.
Erde und Mond. Foto: NASA
Im späten 17. Jahrhundert schlug der Wissenschaftler Isaac Newton das Gesetz der universellen Gravitation vor: Jedes Teilchen zieht jedes andere Teilchen im Universum mit einer Kraft (F) an, die von seiner Masse (M) und dem Quadrat der Entfernung zwischen den Mittelpunkten der Objekte (R) abhängt. Da G die Gravitationskonstante ist, lautet die Gleichung für dieses Gesetz: F = G(M1xM2/R 2 ).
Wenn man also die Masse eines der Objekte und die übrigen Informationen der Gleichung kennt, kann man die Masse des zweiten Objekts berechnen. Stellen Sie sich eine Person mit bekannter Masse vor. Diese Person kann die Masse der Erde berechnen, wenn sie weiß, wie weit sie vom Erdmittelpunkt entfernt ist. Das Problem besteht darin, dass die Wissenschaftler zu Newtons Zeiten die Schwerkraft noch nicht bestimmt hatten und es daher unmöglich war, die Erde zu wiegen.
Die Kenntnis der Masse und Dichte der Erde wäre für Astronomen äußerst nützlich, da sie ihnen dabei helfen würde, die Masse und Dichte anderer Objekte im Sonnensystem zu berechnen. Im Jahr 1772 gründete die Royal Society of London das „Committee on Gravitation“, um dieses Phänomen zu untersuchen.
Im Jahr 1774 versuchte eine Gruppe von Experten, die durchschnittliche Dichte der Erde über den Berg Schiehallion in Schottland zu messen. Sie wiesen darauf hin, dass die gewaltige Masse Schiehallions die Pendel in seine Richtung zog. Deshalb berechneten sie die Dichte der Erde, indem sie die Bewegung des Pendels maßen und den Berg vermaßen. Allerdings ist diese Messung nicht sehr genau.
Illustration des Wissenschaftlers Henry Cavendish und seinem „Wiege“-Experiment auf der Erde. Foto: Wikimedia
Auch der Geologe Reverend John Michell untersuchte die Masse der Erde, konnte seine Studie jedoch vor seinem Tod nicht abschließen. Der britische Wissenschaftler Henry Cavendish verwendete Michells Ausrüstung, um Experimente durchzuführen.
Er konstruierte eine große Hantel mit 5 cm breiten Bleikugeln, die an den Enden eines 183 cm langen Holzstabs befestigt waren. Der Holzstab ist in der Mitte an einer Schnur aufgehängt und kann sich frei drehen. Anschließend wird ein zweites Gewicht mit zwei 30 cm großen Bleikugeln und einem Gewicht von je 159 kg nahe an das erste Gewicht herangeführt, so dass die größeren Kugeln die kleineren anziehen und so eine leichte Kraft auf die Hängestange ausüben. Cavendish beobachtete die Schwingungen des Stabes stundenlang aufmerksam.
Die Gravitationskraft zwischen den Kugeln ist so schwach, dass selbst die geringste Luftströmung dieses heikle Experiment zerstören kann. Cavendish platzierte das Gerät in einem abgedichteten Raum, um einen Luftstrom von außen zu vermeiden. Er benutzte ein Teleskop, um das Experiment durch ein Fenster zu beobachten, und richtete ein Flaschenzugsystem ein, um die Gewichte von außen zu bewegen. Der Raum wurde dunkel gehalten, um Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Teilen des Raums zu vermeiden, die das Experiment beeinträchtigen würden.
Im Juni 1798 veröffentlichte Cavendish seine Ergebnisse in der Zeitschrift Transactions of the Royal Society in einer Studie mit dem Titel „Ein Experiment zur Bestimmung der Dichte der Erde“. Er zeigte, dass die Dichte der Erde das 5,48-fache der Dichte von Wasser beträgt, also 5,48 g/cm³, was ziemlich nahe am modernen Wert von 5,51 g/cm³ liegt.
Cavendishs Experiment war nicht nur für die Messung der Dichte und Masse der Erde (geschätzte 5,974 Billiarden Kilogramm) von Bedeutung, sondern auch für den Nachweis, dass Newtons Gravitationsgesetz auch auf viel kleineren Skalen als denen des Sonnensystems gilt. Seit dem späten 19. Jahrhundert werden verbesserte Versionen des Cavendish-Tests zur Bestimmung von G verwendet.
Thu Thao (Laut IFL Science , APS )
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